基于STM32的高精度温度测控系统-PCB设计

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JeckXu666 发表于 2021/03/05 09:44:20 2021/03/05
【摘要】 一款24位高精度AD温度采集电路，基于STM32，运行UCOS，LabView上位机通信，采集PT100温度

基于STM32的高精度温度测控系统，本篇为PCB设计分析篇

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上一章我简单的分析了设计一个高精度温控系统原理图的设计组成，但对于一整个项目来说，分析功能，设计原理图只是第一步，第二步则是根据原理图来设计PCB，这一节内容我主要分享PCB的设计思路，即一些注意点，同时补充一下之前设计的一些缺陷与改进（干货很多，记得MARK、点赞、收藏哦）

高精度温度测控仪设计PCB篇

一、PCB布局

不积跬步无以至千里，在原理图设计完成之后，就进入到PCB设计环节，PCB设计环节第一步是对PCB的元器件进行布局，许多了认为布局只是无关紧要，把注重点放在布线上，实际上，布局的好坏直接影响了之后的走线难度与信号质量，做布局时一定要慎重，下面我分享一下我的布局，首先看一下全局图：

在这里插入图片描述

这个是我的全局电路图，基本的思想是左边进电源，上边接输入输出，右边则放置上位机电路，关联性强的器件尽量放在一起，这样可以方便布线，同时增加相关信号的关联性，每个部分的布局我分开分析

电源电路布局

电源电路布局，首先是220转到+/-12V然后通过两个高精度降压芯片（TI公司的TPS芯片）生成+/-5V，因为这里后面要给AD电路提供差模信号，以及为运放供电，所以单独用两个芯片产生电压，12V转5转3.3因为给单片机供电，所以使用了简单的降压电路，两个降压芯片成本一两块的样子，布局靠近单片机就可以，还有一路是5V转到2.5V为AD采集芯片提供基准电压的基准源，本芯片的基准源精度要求也较高，所以使用了ADR421，是市面上常用的一款芯片，电路都是通过参考芯片手册的典型电路来设计的，各大部分芯片的主要位置放下来之后，就把外围电路放在对应芯片的附近，方便布线，以下就是我的电源布局：

每个部分的芯片在原理图上都可以看到，这里我把所有的标注都删除了方便观看

在这里插入图片描述

注意要点：电源布局的时候要分析以下电流的走向，来放置电容，理论上滤波或者去耦越靠近器件效果越好，同时有多个电容滤波的时候，电容值大的要在前面，容值小的要在后面，如果放置相反，则没有效果！示例如下

在这里插入图片描述

电流一定要在电容之后引出，不然放置效果等于没有，甚至起到反作用

另外一点就是电源器件工作时温度较高，周围器件最好不要放置工作时受温度影响较大的器件！

核心电路布局

核心电路的布局，我的设计理念如下：

  1. 芯片尽量放在整张PCB板的中间，方便连接其他电路
  2. 芯片的外围电路（复位、滤波去耦电容、晶振电路）等尽量靠近核心芯片，保证其效果，但又不要靠的太近，留一些空隙给芯片的引脚引出，接到外围电路上！
  3. 用来做阻抗匹配的电阻，尽量靠着输出口，保证效果
  4. 按键的布局尽量靠近PCB右下角，因为大家基本上都是右撇子，用的舒服，嘿嘿，但复位按键因为不常用，放在中心也没问题，LED显示选一个明显的位置就行，但也要注意稍微离其他容易受温度影响的芯片远一点
  5. 放置的时候优先考虑非GND的引脚，因为后期铺铜，GND基本上全覆盖，所以我前期不接地线，最后才做，设计难度大大降低

在这里插入图片描述

除此之外，因为核心电路使用的数字地和数字VCC，所以在其与降压模块的VCC和GND要上一个磁珠做隔离，我的摆放位置如下（上图中马赛克位置—尴尬）

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**补充一下：**原理图中连接AGND和DGND的器件都挺多，为了后期盖GND铜皮的时候方便，所以我在整体规划时把左半边分为AGND，右半边分为DGND进行器件布局的，先提前看一下整体的图

在这里插入图片描述

恒流源及AD采集部分布局

PT100的接法是通过恒流源接入，输出模拟差分信号，通过多路选择器，循环导入8路差分信号，输入到AD采集芯片之中，对于信号电路，设计的要求就是尽可能的缩短器件之间的距离，所以我的布局思路就是把恒流源靠近PT100，然后出来的信号经过滤波后，差分等长处理，经过选择器输入到24位AD采集芯片，保证信号的完整性，同时对于这些排列性质的器件，在布局上面尽量一致，方便走线，比如所有的电源接口都可以在背面走一条直线，然后过孔引出到顶层，信号则在顶层直接走线，降低了走线的难度，减少信号的过孔，保证信号完整性

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光耦输出布局

光耦的布局要点就是光耦和输出要靠近，其他的基本没啥，我放在了PCB的右上角

在这里插入图片描述

通信接口布局

通信口一般放在板子侧边，容易接线，布局要点和之前的一样，就是同一电路尽量靠近，关键信号线注意差分走线

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二、PCB布线

PCB布局设计完成，就到了PCB布线了，我分析一下我的布线方式

电源布线

电源布线注意要点：

  1. 电源线宽度：电源线布线前先估计一下各个模块的过电流大小，然后根据电流大小选择一下宽度，比如单片机的电源线一般10mil足够，电源模块走线的宽度一般15或20mil够了，但有时也要看实际情况，具体我们可以对照一个军用标准表格，不知道是不是真的，但他对应的值还算标准（需要可以私信我留下邮箱备注军用标准，我发文档给你）

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有的地方布线也需要铺铜，比如火线和零线的布线就需要直接铺铜，+/-12V输出和法拉电容连接的地方铺铜

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  1. 布线时电源接口放置测试点，方便调试

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  1. 电源的电流进出一定要从滤波电容之前或之后出去，同时滤波电容GND端回路尽量短，可以在电容旁边打一个GND空，但孔位置稍微偏移，不要与焊盘接触，避免锡流到孔内，打孔如下

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核心电路布线

核心电路首先布线首先考虑信号线，电源线稍后布线，信号线首先布晶振线，两边长度尽量等长

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再布下载线，这里下载线串联了22欧姆电阻做保护

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之后就是连接其他信号线，因为之前预留了一定的空隙，所以可以把引脚引出一定长度，在放过孔从底层走线，使布线难度降低

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恒流源和AD采集布线

恒流源和AD的信号线从顶层布线，优先连接，同时注意差分线走线长度对称，距离控制均匀，因为此处是模拟差分，允许一定的误差，展示一下全局图

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此处的电源走线可以通过背面拉一根’主干道‘，器件从主干道’引流‘的方式来，比如8个器件的A+5V和A-5V电源线布线图如下（主干道线要宽）

A-5V电源走线

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A+5V电源走线

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以太网和RS232布线

232的布线没有需要太注意的地方，以太网因为使用有人云的串口转以太网模块，按照硬件手册，需要再TX和RX处做100欧姆差分阻抗匹配，我们打开深圳嘉立创公众号的阻抗神器做计算

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线距离设计5mil，得出线宽10mil，进行布线，布线尽量在同一层，线位置的另外一层需要铺地，差分线的长度尽量等长

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设计完成之后记得给所有接线进行泪滴操作，减小EMI，AD的快捷键为：T+E，点击确定

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泪滴铺好之后按照之前分的AGND和DGND进行铺铜，铺铜后效果：

铺铜后正反面（我这里是把所有的丝印都删除了）

顶层

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底层

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三、检查PCB

设计规则一览

点击AD的设计-规则，对规则进行编辑，设置线宽，各种器件，焊盘，线距等等，不同项目有一定的区别，这个根据需求来，比如我这里对所有线的线宽设置是10，我设计的时候就用10，最低不会低于8，最高不会过30进行设计，具体规则设定有什么不懂的地方可以私聊问我，或者在评论区提问

在这里插入图片描述

DRC

规则设计完成之后就可以根据规则进行DRC，判断我们的设计是不是满足自己的需求，不满足在进行修改，项目的DRC结构如下

1个warning直接忽略了，之后就可以打样测试了

在这里插入图片描述

有不懂的可以直接私信我哦

码字不易，希望大家给一个赞（谢谢）

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